Создан семантический атлас человеческого мозга

Каждое услышанное слово воспринимается конкретными участками коры больших полушарий, комплекс характерных возбуждений определяет его смысл. Оказалось, что эти процессы протекают по всей коре полушарий мозга и что карта смысловых значений у разных людей (правда, с похожим социолингвистическим жизненным опытом) относительно единообразна. Рисунок с сайта npr.org

Семеро испытуемых слушали двухчасовую радиопередачу, в которой читались отрывки художественных текстов. Одновременно с этим у них снимали томограммы возбуждений в коре больших полушарий мозга, разбитого на крошечные ячейки. В результате были получены временные развертки возбуждений отдельно для каждой из этих ячеек. Вся эта информация была переработана в ходе колоссального статистического анализа, что позволило откартировать отображение значений слов в коре больших полушарий. Самое важное, что семантические группы (группы слов с похожими значениями) оказались единообразно представлены у всех участников эксперимента. Вероятнее всего, сама клеточная структура коры мозга предопределяет структуру семантического нейроландшафта.

В 2010 году была опубликована интересная статья ученых из Пенсильванского университета по нейролингвистике (M. A. Just et al., 2010. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes). В ней излагались результаты томографического исследования мозга испытуемых, которым читали слова с сильно различающимися или похожими значениями. Авторам удалось доказать, что крупные семантические группы слов (например, слова, связанные с едой, с действиями с объектами, с домом), имеют в мозгу вполне конкретное представительство. Также выяснилось, что отдельные участки коры отвечают за распознавание длинных слов.

Семантическая репрезентация слов в мозгу по данным исследования M. A. Just et al., 2010. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes

И вот через шесть лет мы можем видеть, насколько далеко продвинулись ученые, работающие в этой области. В журнале Nature обнародованы результаты команды специалистов из Калифорнийского университета в Беркли, которым удалось создать уже целый семантический атлас коры человеческого мозга. В нем размечено представительство уже не четырех, а 12 семантических областей, в которые попадают 985 самых употребимых слов английского языка, а также все другие слова, связанные с ними по смыслу.

Эта работа опирается на результаты, полученные в двух областях знаний. Во-первых, это векторное представление слов, которое вовсю эксплуатируется в различных поисковых системах в интернете. Векторное представление увязывает слова друг с другом по их совместному нахождению в конкретных текстах. Если они встречаются вместе часто, то они связаны по смыслу. Если редко, то не связаны. На этом простейшем предположении основана целая сеть серьезных методов лингвистического анализа.

В данном случае векторное представление понадобилось, чтобы распределить по семантическим областям все 10 470 слов в художественных текстах, которые в течение двух часов прослушивали испытуемые. У испытуемых во время прослушивания снимали томограммы мозга. Полученные данные фМРТ послужили основой для поиска связей между восприятием конкретных слов и активизацией нейронов. И тут вступает в силу второе необходимое условие — возможность анализировать и сравнивать колоссальные объемы информации по данным фМРТ. В данном случае необходимо было сопоставить активность нейронов в элементарных для фМРТ участках мозга — так называемых вокселах размером 2,24×2,24×4 мм — со звучанием слов.

Итак, у исследователей имелись тексты, где для каждого слова была определена конкретная семантическая область, и имелись двухчасовые развертки по фМРТ для каждого воксела, сопутствующие звучанию слов. Представьте теперь, с каким объемом информации какой сложности справились ученые.

Семантические области в мозгу одного из участников эксперимента. Показаны левое и правое полушария снаружи (верхний ряд) и внутри (нижний ряд). Соответствие цветового кодирования вокселей и семантических категорий показано на графике справа, на котором большие слова обозначают сами категории, а маленькие слова на заднем плане — это то, что слышали испытуемые. Подробнее о распределении слов по категориям см. в дополнительных материалах к статье. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Обозначив разными цветами семантические области слов, ученые разметили теми же цветами участки мозга, которые в наибольшем числе случаев отвечали на произнесение соответствующих слов. Таким образом, получилась семантическая карта мозга. Как выяснилось, у каждого из семерых испытуемых конкретные семантические области мозга были сравнительно устойчивы: для каждой смысловой группы слов предопределен свой участок мозга (см. видео). Точнее, конечно, не участок, а участки, так как каждой семантической области соответствует целый набор участков мозга в правом и левом полушариях.

Усредненное расположение двенадцати семантических областей в коре мозга для семи испытуемых по данным фМРТ. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Существование такого устойчивого семантического нейроландшафта означает, по мнению авторов работы, что сама врожденная клеточная архитектура коры создает жесткие предпосылки для становления нейросемантической структуры. Естественно, все испытуемые были продуктом западного американского социолингвистического общества, поэтому чрезвычайно важно и интересно изучить семантическое устройство у людей, воспитанных в другой среде.

Ясно, что созданный атлас семантических представлений — это лишь первые «сливки», которые ученые из Беркли сняли со своего массива данных. А ведь можно таким же образом поискать в этих данных корреляции с фонетическими и синтаксическими сигналами, грамматическими конструкциями и т. д. Остается лишь позавидовать тем ученым, которые возьмутся за эту работу. Тем более что методики работы с ними уже все опробованы и отлажены.

Источники:
1) Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frédéric E. Theunissen, Jack L. Gallant. Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex // Nature. 2016. DOI: 10.1038/nature17637.
2) Видеорезюме обсуждаемой статьи.
3) Marcel Adam Just, Vladimir L. Cherkassky, Sandesh Aryal, Tom M. Mitchell. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes // PLOS ONE. Published: January 13, 2010.

Елена Наймарк